CN110514320A - 复合式光纤温湿度传感器及其检测系统、解调方法 - Google Patents
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Abstract
一种复合式光纤温湿度传感器及其检测系统、解调方法。本发明温湿度传感器采用光纤光栅技术测量温度和可调谐激光吸收光谱技术测量湿度，光纤法兰、连接件、壳体从前至后依次固定连接，温度测量装置和湿度测量装置依次串联安装在壳体内；检测系统的激光器输出的激光通过光纤耦合器进入光纤，激光到达复合式光纤温湿度传感器后，产生相应的信号光并反向传回光纤耦合器，之后再进入光电探测器进行检测，将光信号转换为电压信号后采集，并由内置算法计算出温度值和湿度值。其有益效果是，传感器体积小巧，使用一根光纤即可同时对温度和湿度进行测量；检测系统的集成度高，一次扫描即可同时检测温度及湿度，降低制作成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤温湿度传感器，尤其是涉及一种复合式光纤温湿度传感器及其检测系统、解调方法。
背景技术
温湿度是日常生活、农业生产、粮食仓储、半导体制造、气象科学等各行业最常用到的参数，温湿度数据的获取方法很多。基于光纤传感技术的温湿度传感器具有本质安全、抗电磁干扰、环境适应性强等优势，受到广泛关注。
基于光纤光栅（FBG）的温湿度传感器种类较多，包括光纤光栅干湿球温湿度传感器，光纤光栅结合湿敏材料的温湿度传感器。光纤光栅干湿球温湿度传感器利用两支光纤光栅温度传感器测量干球和湿球温度，再通过干湿表查找对应相对湿度，其弊端主要是误差大、测量范围有限，其相对湿度误差大于±5%RH，且无法测量0℃以下的湿度。光纤光栅结合湿敏材料的温湿度传感器利用两支光纤光栅，一支用于直接测温；另一只表面涂覆湿度敏感材料，通过材料的吸湿排湿对光栅产生应力引起波长移动从而测量湿度，其弊端主要是响应时间慢、寿命有限，材料的吸湿排湿过程需要较长时间，常用的湿敏材料属于有机物，反复的吸湿和排湿加速了老化，使其容易从光纤上剥落而失效。
基于可调谐激光吸收光谱技术（TDLAS）的光纤湿度传感器在环保、化工等领域得到应用，其具有响应快、湿度测量范围大、精度高等优势。目前，基于光纤光栅（FBG）的温度传感器与基于可调谐激光吸收光谱技术（TDLAS）的光纤湿度传感器结合，光纤光栅的温度传感器与光纤湿度传感器并行设置，使得传感器体积大，相应的温湿度检测系统繁复，制作成本高。
发明内容
为了克服现有基于光纤光栅的温度传感器与基于可调谐激光吸收光谱技术的光纤湿度传感器结合，温度传感装置与湿度传感装置并行设置，使得传感器体积大，相应的温湿度检测系统繁复，制作成本高的不足，本发明提供一种复合式光纤温湿度传感器及其检测系统、解调方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种复合式光纤温湿度传感器，包括温度测量装置、湿度测量装置、壳体、光纤法兰，光纤光栅，采用光纤光栅技术测量温度和可调谐激光吸收光谱技术测量湿度，所述光纤法兰、连接件、壳体从前至后依次固定连接，壳体的后端为封闭端，所述温度测量装置和湿度测量装置依次串联安装在壳体内。
所述湿度测量装置包括同轴设置的光纤准直器、反射镜，光纤准直器与反射镜轴向之间有间隔，该间隔构成水气吸收池，激光在光纤准直器与反射镜之间传输时，其路径上水气吸收池中的水气分子吸收部分激光能量，根据吸收能量的强弱可解调出水气含量，从而得到空气湿度；
所述光纤准直器与反射镜相向安装，相向的光纤准直器端面镀有增透膜，反射镜端面镀有高反膜。
所述壳体包括前壳体和后壳体，所述温度测量装置设置在前壳体内，所述湿度测量装置设置在后壳体内。
所述温度测量装置的光纤光栅设置在前壳体内，光纤光栅的一端与连接件连接，另一端与光纤准直器连接。
所述湿度测量装置的光纤准直器安装在后壳体的前端，所述反射镜固定安装在后壳体的后端。
所述壳体对应于光纤光栅和水气吸收池处设置有径向通槽。
所述壳体外覆盖有2层或2层以上过滤网，所述过滤网与壳体固定连接。
所述壳体为圆柱形，壳体的材质为塑料或铝合金或不锈钢；所述过滤网与壳体采用焊接或粘接方式固定连接。
本发明所述复合式光纤温湿度传感器的温湿度检测系统，包括复合式光纤温湿度传感器，检测系统还包括控制模块、激光器、光纤耦合器、光纤、光电探测器、显示器；所述激光器输出的激光通过光纤耦合器进入光纤，激光到达复合式光纤温湿度传感器后，产生相应的信号光并反向传回光纤耦合器，之后再进入光电探测器进行检测，将光信号转换为电压信号后采集，并由内置算法计算出温度值和湿度值。
所述光纤为单芯单模光纤；
所述激光器为可调谐半导体激光器；
所述光纤耦合器为1×2结构，一端有2根光纤，分别连接激光器和光电探测器；另一端有一根光纤，与单芯单模光纤连接。
所述控制模块设置有IC芯片，控制温湿度检测系统的运行。
所述控制模块至少包含4个IC芯片，其中：1个IC芯片用于驱动激光器工作；1个IC芯片对光电探测器接收到的信号进行模-数转换并采集；1个IC芯片利用内置算法进行温度和湿度解调；通讯IC芯片将获得的温度数据和湿度数据传至显示器。
所述激光器控制温度及驱动电流调谐范围≥2nm；激光器的工作波长为1.34~1.48μm。
所述光纤光栅的中心波长与水气吸收峰错开1nm；
当激光器波长扫描为2nm时，可以同时覆盖光纤光栅反射谱与水气吸收谱，且二者不会交叠，可以同时测量。
所述光电探测器的响应波长为0.9~1.7μm，覆盖激光器的工作波长范围。
所述显示器为触摸屏，用于操作人员与控制模块进行交互，可设置检测系统参数，如温度数据、湿度数据的采集周期、配置传感器系数等，同时以数值或图表的方式显示温度数据和湿度数据；
所述显示器可插入SD存储卡保存采集的温度数据和湿度数据，并能查询存储卡中的历史数据。
本发明的有益效果是，结构简单，温度传感装置与湿度传感装置串联设置，结构紧凑，体积小巧，使用一根光纤即可同时对温度和湿度进行测量，简化光纤布设方式，降低成本；温湿度检测系统的集成度高，稳定可靠，采用大范围波长扫描使光纤光栅反射谱与水气吸收峰分离，一次扫描即可同时检测温度及湿度，降低制作成本。
附图说明
图1是本发明复合式光纤温湿度传感器的结构示意图。
图2是本发明复合式光纤温湿度传感器及其检测系统的示意图。
图3是本发明检测系统的解调方法流程图。
图中：1.光纤光栅，2.光纤准直器，3.水气吸收池，4.反射镜，5.光纤法兰，6.连接件，7.壳体，8.径向通槽，9.增透膜，10.高反膜，11.后壳体，12.前壳体；
21.控制模块，22.激光器，23.光纤耦合器，24.光纤，25.复合式光纤温湿度传感器，26.光电探测器，27.显示器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。但是，本领域技术人员应该知晓的是，本发明不限于所列出的具体实施方式，只要符合本发明的精神，都应该包括于本发明的保护范围内。
参见附图1。本发明一种复合式光纤温湿度传感器，包括温度测量装置、湿度测量装置、壳体7、光纤法兰5，光纤光栅1，温度测量采用光纤光栅技术，湿度测量采用可调谐激光吸收光谱技术。
光纤法兰5也称光纤连接器或光纤适配器，是复合式光纤温湿度传感器的接口，可采用常见的FC、LC、SC、ST等光纤接口形式。
所述光纤法兰5、连接件6、壳体7从前至后依次固定连接，壳体7的后端为封闭端，所述温度测量装置和湿度测量装置依次串联安装在壳体7内。
所述测量温度装置的光纤光栅1使用紫外曝光法或飞秒激光刻写的光纤Bragg光栅，光纤光栅1外部使用毛细钢管保护，毛细钢管内径大于0.4mm，外径0.9~3mm。根据FBG测温原理，当环境温度改变时，FBG中心波长也会相应移动，两者有确定的函数关系，通过波长移动大小即可准确计算出环境温度。
所述湿度测量装置包括同轴设置的光纤准直器2、反射镜4，光纤准直器2与反射镜4轴向之间有间隔，该间隔构成水气吸收池3。根据TDLAS（可调谐激光吸收光谱）技术原理，激光在光纤准直器2与反射镜4之间传输时，其路径上水气吸收池3中的水气分子吸收部分激光能量，根据吸收能量的强弱可解调出水气含量，从而得到空气湿度。
所述光纤准直器2与反射镜4相向安装，相向的光纤准直器2端面镀有增透膜9，反射镜4端面镀有高反膜10，能够减小光损耗。
所述壳体7包括前壳体12和后壳体11，所述温度测量装置设置在前壳体12内，所述湿度测量装置设置在后壳体11内。
所述温度测量装置的光纤光栅1设置在前壳体12内，光纤光栅1的一端与连接件6连接，另一端与光纤准直器2连接。具体的，连接件6中含有光纤陶瓷插针，并固定于光纤法兰5内，光纤光栅1与连接件6的陶瓷插针连接。
所述湿度测量装置的光纤准直器2安装在后壳体11的前端，所述反射镜4固定安装在后壳体11的后端。
所述壳体7对应于光纤光栅1和水气吸收池3处设置有径向通槽8，使传感器内部与外界连通，加快气体的扩散交换，提高传感器响应速度。
进一步，所述壳体7为圆柱形，外圆直径小于20mm；优选的，壳体7的材质为塑料或铝合金或不锈钢。所述壳体7外覆盖有2层或2层以上过滤网，所述过滤网与壳体7固定连接，所述过滤网与壳体7采用焊接或粘接方式固定连接。过滤网具有防尘防水功能，可起到保护传感器内部结构的作用。
所述的温度测量装置和湿度测量装置采用串联安装方式，结构紧凑，体积小巧，使用一根光纤即可同时对温度和湿度进行测量，简化光纤布设方式，降低成本。
参见附图2。本发明所述复合式光纤温湿度传感器的温湿度检测系统，包括控制模块21、激光器22、光纤耦合器23、光纤24、复合式光纤温湿度传感器25、光电探测器26、显示器27，所述激光器22输出的激光通过光纤耦合器23进入光纤24，激光到达复合式光纤温湿度传感器25后，产生相应的信号光并反向传回光纤耦合器23，之后再进入光电探测器26进行检测，将光信号转换为电压信号后采集，并由内置算法计算出温度值和湿度值。
所述光纤24为单芯单模光纤。单芯单模光纤选用符合ITU-G.652D和ITU-G.657A标准的光纤，用于光信号的传输，其一端连接光纤耦合器23，另一端连接复合式光纤温湿度传感器25。
所述光纤耦合器23为1×2结构，一端有2根光纤，分别连接激光器22和光电探测器26；另一端有一根光纤，与单芯单模光纤24连接。
所述控制模块21设置有若干IC芯片，控制温湿度检测系统的运行。
进一步，所述控制模块21至少包含4个IC芯片，IC芯片具有功能如下： 1个IC芯片用于驱动激光器22工作；1个IC芯片对光电探测器26接收到的信号进行模-数转换并采集；1个IC芯片利用内置算法进行温度和湿度解调；通讯IC芯片将获得的温度数据和湿度数据传至显示器27。
所述激光器22为可调谐半导体激光器。
进一步，所述激光器22的控制温度及驱动电流调谐范围≥2nm；激光器的工作波长为1.34~1.48μm，与光纤光栅1中心波长、水气吸收池3的水气吸收峰对应。所述光电探测器26的响应波长为0.9~1.7μm，覆盖激光器22的工作波长范围。
再进一步，光纤光栅中心波长与水气吸收峰错开1nm。当激光器22波长扫描为2nm时，可以同时覆盖光纤光栅反射谱与水气吸收谱，且二者不会交叠，可以同时测量。
所述显示器27为触摸屏，用于操作人员与控制模块进行交互，可设置检测系统参数，如：温度数据、湿度数据的采集周期、配置传感器系数等，同时以数值或图表的方式显示温度数据和湿度数据；
所述显示器27可插入SD存储卡保存采集的温度数据和湿度数据，并能查询存储卡中的历史数据。
参见附图3。本发明温湿度检测系统的解调方法，步骤如下：
A、控制模块21驱动激光器22进行波长扫描，扫描范围2nm；
B、光电探测器26获取扫描光谱，该光谱由光纤光栅反射光谱与水气吸收光谱组成；
C、根据光纤光栅反射光谱提取光纤光栅中心波长；
D、根据光纤光栅中心波长与温度关系计算温度值；
E、根据水气吸收光谱提取水气吸收峰强度值；
F、根据水气吸收峰强度值计算水气浓度，并结合温度值计算相对湿度；
G、将温度和相对湿度信息发送至显示器显示出来。
本发明的温湿度检测系统，采用大范围波长扫描使光纤光栅反射谱与水气吸收峰分离，一次扫描即可同时检测温度及湿度，进一步优化检测系统，降低成本。
应该注意的是上述实施例是示例而非限制本发明，本领域技术人员将能够设计很多替代实施例而不脱离本专利的权利要求范围。
Claims (10)
1.一种复合式光纤温湿度传感器，包括温度测量装置、湿度测量装置、壳体、光纤法兰，光纤光栅，采用光纤光栅技术测量温度和可调谐激光吸收光谱技术测量湿度，其特征是：
所述光纤法兰、连接件、壳体从前至后依次固定连接，壳体的后端为封闭端，所述温度测量装置和湿度测量装置依次串联安装在壳体内；
所述湿度测量装置包括同轴设置的光纤准直器、反射镜，光纤准直器与反射镜轴向之间有间隔，该间隔构成水气吸收池，激光在光纤准直器与反射镜之间传输时，其路径上水气吸收池中的水气分子吸收部分激光能量，根据吸收能量的强弱可解调出水气含量，从而得到空气湿度；
所述光纤准直器与反射镜相向安装，相向的光纤准直器端面镀有增透膜，反射镜端面镀有高反膜。
2.根据权利要求1所述复合式光纤温湿度传感器，其特征是：
所述壳体包括前壳体和后壳体，所述温度测量装置设置在前壳体内，所述湿度测量装置设置在后壳体内；
所述温度测量装置的光纤光栅设置在前壳体内，光纤光栅的一端与连接件连接，另一端与光纤准直器连接；
所述湿度测量装置的光纤准直器安装在后壳体的前端，所述反射镜固定安装在后壳体的后端。
3.根据权利要求2所述复合式光纤温湿度传感器，其特征是：所述壳体对应于光纤光栅和水气吸收池处设置有径向通槽；
所述壳体外覆盖有2层或2层以上过滤网，所述过滤网与壳体固定连接。
4.根据权利要求3所述复合式光纤温湿度传感器，其特征是：所述壳体为圆柱形，壳体的材质为塑料或铝合金或不锈钢；所述过滤网与壳体采用焊接或粘接方式固定连接。
5.一种权利要求1所述复合式光纤温湿度传感器的温湿度检测系统，包括复合式光纤温湿度传感器，其特征是：
检测系统还包括控制模块、激光器、光纤耦合器、光纤、光电探测器、显示器；
所述激光器输出的激光通过光纤耦合器进入光纤，激光到达复合式光纤温湿度传感器后，产生相应的信号光并反向传回光纤耦合器，之后再进入光电探测器进行检测，将光信号转换为电压信号后采集，并由内置算法计算出温度值和湿度值。
6.根据权利要求5所述温湿度检测系统，其特征是：
所述光纤为单芯单模光纤；
所述激光器为可调谐半导体激光器；
所述光纤耦合器为1×2结构，一端有2根光纤，分别连接激光器和光电探测器；另一端有一根光纤，与单芯单模光纤连接；
所述控制模块设置有IC芯片，控制温湿度检测系统的运行。
7.根据权利要求6所述温湿度检测系统，其特征是：所述控制模块至少包含4个IC芯片，其中：1个IC芯片用于驱动激光器工作；1个IC芯片对光电探测器接收到的信号进行模-数转换并采集；1个IC芯片利用内置算法进行温度和湿度解调；通讯IC芯片将获得的温度数据和湿度数据传至显示器。
8.根据权利要求7所述温湿度检测系统，其特征是：
所述激光器控制温度及驱动电流调谐范围≥2nm；激光器的工作波长为1.34～1.48μm；
所述光纤光栅的中心波长与水气吸收峰错开1nm；
当激光器波长扫描为2nm时，可以同时覆盖光纤光栅反射谱与水气吸收谱，且二者不会交叠，可以同时测量；
所述光电探测器的响应波长为0.9～1.7μm，覆盖激光器的工作波长范围。
9.根据权利要求5-8任一所述温湿度检测系统，其特征是：
所述显示器为触摸屏，用于操作人员与控制模块进行交互，可设置检测系统参数，如温度数据、湿度数据的采集周期、配置传感器系数等，同时以数值或图表的方式显示温度数据和湿度数据；
所述显示器可插入SD存储卡保存采集的温度数据和湿度数据，并能查询存储卡中的历史数据。
10.一种权利要求5所述温湿度检测系统的解调方法，其步骤如下：
A、控制模块21驱动激光器22进行波长扫描，扫描范围2nm；
B、光电探测器26获取扫描光谱，该光谱由光纤光栅反射光谱与水气吸收光谱组成；
C、根据光纤光栅反射光谱提取光纤光栅中心波长；
D、根据光纤光栅中心波长与温度关系计算温度值；
E、根据水气吸收光谱提取水气吸收峰强度值；
F、根据水气吸收峰强度值计算水气浓度，并结合温度值计算相对湿度；
G、将温度和相对湿度信息发送至显示器显示出来。
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